复杂地质区大坝渗漏承压机理及其演变规律研究

严 俊，陈汉宁，周 瑾，邓 刚

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.深圳市水务科技信息中心，广东 深圳 518306；3.深圳市清林径引水调蓄工程管理处，广东 深圳 518034)

目前，国内大部分城市出现了不同程度的缺水现象。据统计，全国655个城市中，约200个城市严重缺水，其中，在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水困扰。近些年来，通过修建大型城市水库工程来改善自身水资源时空调配已经成为多数城市解决水资源问题的主要途径之一，如北京的官厅水库和密云水库、天津的于桥水库和北大港水库等，这些大型水库具有水质好、水量大且稳定、供水保证率高等优点，在城市供水、发电、养殖、旅游等领域发挥了巨大效益。一些兼对外供水任务的城市，如深圳等，修建的城市水库还具向香港、澳门供水的重要功能。

城市水库的建设条件较为复杂，主要体现在三个方面：一是城市建库的地质条件较为复杂，受风化程度、局部间杂、地质构造等因素影响地基岩土体在渗透性、力学特性等方面存在非常大的差异，而且水库建设必然打破原有的水文地质环境，其蓄水运行又会导致地表水、地下水位的变化，甚至局部存在渗漏承压水问题，国内已经有多个水库存在这种现象，如布仑口水库、黄河龙口水利枢纽、刘家峡水电站、天桥水电站等工程的坝基都不同程度存在承压水渗漏问题。这些都会对水库的设计、施工及运行安全带来较大的挑战；二是随着经济社会的发展，原设计的城市供水水库已远不能满足用水需求，各水库均面临加高情况，这就使得原水库设计过程中已避开或不用考虑的复杂岩土层、潜在渗流通道等地质条件，在水库加高加固过程中又成为新的渗控难题，若处理不当，极易在库区形成渗漏，遇到排水不畅的情况就会形成渗漏承压区域，造成新坝体的渗流破坏、变形失稳等现象，严重威胁水库周边的地下水环境及公共安全；三是城市建库的公共环境较为复杂，一些水库紧邻住宅区、工业区以及公路桥梁等易受影响的建筑设施。水库的修建和运行会打破库区岩土环境原有的平衡状态，在原地基土层厚度变化较大时，地下水位的变化、地面的升降就可能引起库区周边出现社会环境等问题。国内一些水库在防渗处理后完全切断了库水下渗通道，如密云水库、斋堂水库、黄壁庄水库、尼山水库等，但是在有效保护了库水资源之外也带来了一定的环境问题，库区下游地下水位大幅度下降，地面沉降、开裂，一些修建在不均匀土层上的建筑出现了倾斜、开裂等问题，又不得不采取补水等措施改善下游环境问题。可以说，城市范围内复杂地质区修建大型水库带来的渗漏承压安全问题及次生环境风险问题，已经成为水利科学中必须予以关注的重点问题之一。但由于相关研究的缺乏，对水库建设、运行引起的周边地下水量变化和地面升降等演变规律，以及风险防控的机制，尚缺乏有效的方法。

因此，对城市复杂地质区建库潜在渗漏承压形成机理及其演变规律进行研究，采用先进的物探、数值分析方法以探明渗漏承压水的形成及分布规律，并提出科学、合理的工程防控措施，以保证水库正常发挥功能，同时降低水库局部渗漏压水对库区周边社会安全与环境的不良影响，提高工程的设计水平和管理水平，是现实的迫切需要。

1 大坝承压现象概况

在深圳市砂岩地基上修建的清林径水库，位于深圳市龙岗区龙城街道境内，龙岗河左岸支流石溪河的中上游段，建成于1963年3月，经过多次扩建后目前属于大型水库，如图1所示，水库在扩建工程可研阶段勘察时，2#坝西侧坝后进入强风化砂岩地层后，钻孔内开始有承压水溢出，随孔深增加，其流量不断增大，承压水头不断抬高，最大流量622m3/d，揭示出该水库局部存在承压水现象。

图1 深圳市清林径水库及承压水情况

2 承压区地质条件评价

经勘察，承压水分布区构造形式以节理裂隙为主，亦见宽度10～30cm的小型断裂构造。据野外地质测绘和钻孔取芯结果看，节理裂隙发育，库岸小型断裂构造发育，裂隙倾角一般较陡，呈50°～80°，裂隙多为张开状，充填少量硅质和钙质。本区由于覆盖层较厚，仅开挖断面可见基岩露头，裂隙密集交错，地层产状多变，总体倾向北西，倾角30°～45°。清林径水库2号坝承压水分布区主要由以下岩(土)层构成：

(1)老坝填土层：该层分布于现坝轴线上游(老坝址处)，底板高程38.27～40.92m，揭露最大厚度19.5m，上部含较多碎石等硬杂质，下部以砾质粘性土为主，多为石英砂岩风化土料，局部夹冲积粘性土，土性不均一，干密度平均1.55g/cm3，压实度0.86，渗透系数为1.8×10-4cm/s～1.8×10-5cm/s。坝体在1992年做了混凝土防渗墙的防渗处理，嵌入坝基0.8～1.5m。

(2)冲洪积层：该层主要包含有粉质粘土(分布于谷底，厚1.7～3.0m，软～可塑状)、粉细砂(沿谷底分布，厚0.9～2.8m，松散～稍密状)、含粘性土卵石(分布于谷底左侧坡脚，厚1.0m，稍密状)。

(3)残坡积层：主要分布于坝左侧，厚2.8～5.0m，底板高程86.02～43.14m，以含砾粘性土为主，由砂岩风化残坡积而成，湿，可～硬塑状。

(4)石炭系大赛坝组(Cds)风化基岩：全风化粉砂岩主要分布于河床两侧及坡麓地带，层厚1.2～13.5m，以粉质粘土为主，夹少量碎岩块，原岩结构清晰，硬塑状。

(5)强风化粉砂岩：右侧山体坡脚至沟谷中线为石英砂岩，左侧以粉砂岩为主，揭露层厚1.6～35.2m，顶板高程47.7～13.92m，底板高程31.3～7.8m，岩芯多为土夹石状，部分为石夹土状。

(6)弱风化砂岩：上部为粉砂岩，中下部为石英砂岩，在谷底的埋藏深度大于7.2m，两侧埋藏深度大于18m，局部夹碎块状强风化岩，坚硬，块状构造，碎屑物占65%～70%，其中石英98%～99%，白云母12%～2%；胶结物30%～35%，其中粘土矿物55%～60%，方解石40%～50%，铁质物1%～2%，炭质物2%～3%，饱和单轴抗压强度26.3～45.6MPa。

根据野外注水和压水试验结果确定，工程区冲积粘性土、残坡积土和全风化岩及强风化岩的上段(土夹石状)赋水少，渗透系数一般小于5.0×10-5cm/s，为相对隔水层，而弱风化岩的上段和强风化岩的中下段(半岩半土状和石夹土状)由于裂隙较发育，为主要含水层，吕荣值大于20lu，局部大于100lu(集中渗漏带)，为相对透水层。

3 承压水补给及排泄特征初判

通过原位钻孔、室内试验及工程物探、埋管检测、原位测试等多手段的勘探，对大坝承压水的分布特征进行了初步判断：

(1)承压水的顶板和底板。根据钻进中水量变化和返水、返砂情况、岩芯的完整程度和裂隙发育情况确定承压含水层的底板，高程约在0～-10m。

(2)承压区的平面位置。主要根据钻孔资料和物探结果确定承压水分布范围，根据以上承压水区划定结果，承压水区边界自2#坝中侧延伸到右侧山体坡麓地带，宽(即平行于坝轴线方向)约70m，自北(老坝体)向南延至150m处山体坡脚。已探知的承压水出现的最低高程在-10m左右，透水带的最大厚度大于30m。

(3)承压水的补给。通过取承压水、库水和附近山体水做水质对比相关分析，承压水与库水相关性好，而与山体水相关性较差。通过观测库水位与承压水水头高度的相关性，结果显示二者基本同步，据分析，承压水的主要补给源是库水，而分散渗入加裂隙密集带集水廊道共同组成其主要的补给形式。库水入渗主要有三种主要途径，一是通过库岸强、弱风化岩直接出露带入渗。据地质测绘结果分析，库岸局部地段有强风化岩和弱风化岩直接出露，无隔水层，为库水入渗提供了条件。如2#坝坝前右侧库岸，弱风化砂岩出露地表，并伴生小型断裂构造，岩石破碎，裂隙发育，裂面呈褐色，铁锰浸染，地下水活动性较强。二是通过库底强、弱风化岩出露区入渗。据坝前钻孔资料，起隔水作用的土层厚度较薄，全风化土厚度2m，无残坡积土，强、弱风化岩埋深仅2～3m，渗透系数为6.2～7.1×10-4cm/s，呈中等透水性，亦具裂隙发育，地下水活动性较强的特征。三是通过带状构造型集水廊道渗入。该构造主要是接近南北向的NNE向的裂隙密集带，不排除库盆内其它方向断裂构造与其交汇，增大补给来源。

(4)承压水的径流。据水位观测资料，承压水水流方向由西北向东南，流速应属较低。径流方式和特征遵循构造带渗流模式，带内岩体强透水，裂隙密集，相互之间贯通性较好。钻孔注、压水试验结果证明，坝下脆硬岩石裂隙发育，弱风化砂岩和强风化砂岩均呈强透水性，q>100Lu。长期渗流，形成裂隙密集带和渗漏通道，汇集到坝前地下水，通过裂隙密集带流到坝后。从已有钻孔资料分析，集中渗漏带主要土层是强风化岩下段和弱风化岩上段，而涌水量最大的地层是弱风化岩，推测高程在10～-10m。径流区顶部残坡积层厚2.8～5.0m，渗透系数(2.3～4.2)×10-5cm/s，属弱透水性；全风化岩层厚1.2～8.2m，渗透系数3.9×10-5cm/s，亦呈弱透水性，因此形成了较完整的隔水顶板。

(5)承压水的排泄。用枯水期2009.12.26和2009.2.20日地下水位(共有24孔)绘制的地下水等水位线图可以看出，承压水主要通过坝基右侧裂隙密集带渗流至坝后，遇隆起的微风化岩受阻后转向左侧原河槽流向下游。坝区最底水位在SK20，下游CZK224孔水位最低(37.57m)，且孔底(22.87m)为河床砂砾层，未见底。说明本区最低排泄基准面是在老河槽，最底高程在22m以下，地面无排水点出露。

据构造带地质剖面分析，上游径流区是厚层弱风化砂岩和强风化砂岩，由于长期的地下水作用，均呈中等-强透水性，具良好的导水作用；下游排泄区弱风化砂岩和强风化砂岩厚度变薄，而呈微透水性的微风化岩埋藏深度变浅，仅19.3m，地下水运动受阻，总体为排泄不畅，构造带左、右两侧为构造与岩性限制，南部边界分布有微透水岩层。左侧老河床位置上部是填土和粉质粘土，呈弱透水性，下部粉细砂、含粘性土卵石等透水性较强地层总厚度小于3m。

以上分析表明，建坝前沟谷已有自成一体的水循环系统，谷地基岩裂隙水和第四系孔隙水接受地表水、降水和山体水的补给，沿河流排向下游，在承压区附近遇阻后转向左侧河槽，通过砂层排向下游，或溢出地表补给地表水。建坝后，基岩裂隙在库水高水头的作用下逐渐连通，而老河床上部砂卵石等透水层在清基时被挖除，上部被人工填土所覆盖，地下和地表的排水通道受封堵，因此造成局部承压，形成承压水。

4 模拟反演承压区三维地质状况

经过上述地质勘探、物探工作后，基本掌握了清林径水库承压水的分布特性，但是由于库区基岩为砂岩，风化程度极不均匀，全、强、弱风化岩均有出露，地质条件复杂，对承压水渗流规律缺乏系统性认知，因此，为弄水库2#坝区附近的实际地层分布，同时探讨该地区产生局部承压现象的机理，本研究利用库区已有的47个地质钻孔进行了三维地质模型建模。三维地质模型是地质现象的真三维表达，通常可以将地质要素概括为点、线、面、体4类，其中①点状要素：地面采集点、地质钻孔点等；②线状要素：各地层界面线；③面状要素：各种地质结构面、地层面、地下水位面等；④体状要素：地质实体，地质变量等。通过建立上述4类要素之间的拓扑关系就可以构成三维地质模型，本次研究提出了一种基于地质钻孔信息的三维智能地质建模技术。建立了三维智能地质模型后，分别对承压区全风化砂岩层(Cds)、强风化砂岩层(Cds)、弱风化砂岩层(Cds)、微风化砂岩层(Cds)、强风化石英砂岩层(J11n)、中粗砂层(Qal+pl4)、坝填土层(Q4s)、残坡积土层(Qel+dl4)的分布进行反演分析，构成清林径承压区三维地质模型，如图2所示。

图2 库区大区域三维地质模型

从上述三维地质建模的结果看，清林径2#坝承压水区域内的水文地质条件较为复杂，土层、岩层的分布呈现出明显的不均匀性：

(2)在库区附近存在分布较广的强风化砂岩层，该砂岩层的渗透系数大于1.0×10-4cm/s，是库水经地基下渗的主要通道。此外，在2#坝的右侧及下游部位存在分布不广的弱风化砂岩层，根据地质报告的描述，该层裂隙较为发育，是很好的持水层。该层由于与黄龙湖水库相邻，可能存在黄龙湖水库的侧向补给。

(3)从地质模型可以看出，2#坝的下游侧原来可以通过强风化层、弱风化层向下游渗透的情况，在经过库区填土之后局部将出现排水不畅的现象，若在强风化砂岩层和弱风化砂岩层部位存在一隔水性较好的弱透水层，将会与底层的微风化砂岩层构成很好的承压水顶板与底板，在库区形成承压水现象。

5 反演分析承压水成因及演变规律

为进一步弄清清林径库区承压水的成因及演变规律，本研究依据已有的承压水监测数据，并结合工程实际进行了数值模拟，以获取工程区各介质的渗透性参数，在此基础上，开展了水库大尺度三维渗流有限元反馈模拟，以掌握承压水的补给、径流以及排泄通道。本次三维有限元反演分析，对包含清林径水库2#坝、黄龙湖水库3#坝在内的区域建立了大尺度的三维渗流有限元分析模型；对清林径原2#坝以及黄龙湖原3#坝的主体结构及渗控措施进行了较精细的模拟，其中包括土石坝结构(坝填土)、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等；对坝基主要覆盖层基础、基岩进行了模拟，包括残坡积土、覆盖层、全风化砂岩、强风化砂岩、弱风化砂岩以及微风化砂岩等。

清林径水库工程大区域三维有限元网格模型如图3所示，反演获得了该承压水区域内的整体渗流分布情况，如图4所示。

图3 清林径水库大区域三维有限元模型

图4 工程区整体渗流分布计算结果(单位：m)

通过对清林径承压水区域的水文地质条件、地下水物探结果以及大型三维地下水反演成果看，可以得到清林径水库库区地下水运动及排泄规律：

(1)清林径库区2#坝附近的区域内分布有人工回填土层(坝填土层)、残坡积土层(Qel+dl4)，其渗透系数均小于1.0×10-5cm/s，属于典型的弱透水性介质。这两层介质使得库区尤其是坝体下游侧存在类似铺盖作用的土层，是造成库水经地基的径流路径向下游远端渗漏的主要原因。在库区附近存在分布较广的强风化砂岩层，该层砂岩层的渗透系数大于1.0×10-4cm/s，是库水经地基下渗漏的主要通道。但2#坝的下游侧原来可以通过强风化层、弱风化层向下游渗透，在经过库区填土之后局部将出现排水不畅的现象。

(2)清林径2#坝区域内上游径流区是厚层弱风化砂岩和强风化砂岩，由于长期的地下水作用，均呈中等-强透水性，该地层延伸至2#坝底部及下游一定范围内，具良好的导水作用。同时，该区域内位于强、弱风化砂岩的上部存在冲积粘性土、残坡积土和全风化岩及强风化岩的上段(土夹石状)赋水少，渗透系数一般小于5.0×10-5cm/s，为相对隔水层，该层隔水层与底部微风化砂岩构成了2#坝区域内形成局部地下水承压的条件。

(3)清林径库区与黄龙湖库区存在较多的渗流通道：即有通过坝体的下渗，也有通过地基强、弱风化砂岩的外渗，同时还有通过坝间山体的渗漏，呈现出典型的三维渗流特性。通过计算分析，清林径水库、黄龙湖水库对承压区的流量补给分别占总流量的80.6%、17.5%，其他补给为1.9%。

6 结语

本文针对复杂地质区城市水库存在的渗漏承压机理及其演变规律，提出了融合地质钻孔柱状图、地质背景、地下水分布等因素的三维地质建模方法，结合清林径水库渗漏承压处理工程，从地质演化角度揭示潜在渗漏通道的形成、发展过程，获得了渗漏承压通道的空间展布及渗透特性；并提出了基于监测数据的反分析模型，通过库水-承压/非承压地下水的比照监测，反映了大坝实际渗流情况与反演模型基本一致，论证了本研究提出的反演分析手段和方法的科学性、可靠性，为承压水的工程处理措施提供了技术支撑，对类似工程的承压水问题研究有重要的借鉴意义。